同时采样A/D变换器及其应用

2006-05-07 来源：电子产品世界

两款新型同时采样A/D变换器MAX125和MAX126是完整的14位数据采集系统，可以同时跟踪和保持8个输入中的4个输入（见图1）。板上定序器可通过编程来选择对哪4个（或少于4个）通道进行数字化。吞吐量速率范围为250ksps（一个通道）～76ksps（所有4个通道）。输入范围是±5V（MAX125）和±2.5V（MAX126）。

4个跟踪/保持（T/H）级的每一级可在A和B输入间切换，产生8个可能的输入通道。图2示出跟踪模式的A通道。每个T/H输入中的T开关使相邻通道间的串扰最小。4个地址引脚选择通道号和工作模式，每个输入电路容许±17V过压。该芯片还包含电压基准（漂移为30ppm/℃）。

    MAX125/126变换器有广泛的应用，这包括：

    ·场定向控制，使AC马达工作如同DC马达一样；

    ·线路故障保护系统中高电压、三相波形的测量；

    ·基于Coriolis质量流量计中相位差检测；

    ·对卫星调谐器IC的I和Q信号数字化；

    ·用在汽车制造业的基于雷达碰撞报警系统中，可去掉中频级。

场定向控制

    场定向控制（Field-orieneed control,FOC）使AC马达工作如同DC马达，这是MAX125/126变换器的一种主要应用。DC马达中的电刷和整流子组合件保证场（定子）电流对转子电流总是保持正确的角度。这就是可说的场定向，这一条件可使转子产生所标定的最大转矩两个元素分离开来和对它们进行直接控制，使场定向能为马达提供快速和精确的动态响应。为了改变马达转矩，需要改变转子电流分量Iq，Iq决定产生的转矩和保持场或磁化电流分量为常数。从图3可确定磁化电流：

    Id=Vd=jωLm (1)

    式中Id:磁化电流分量，Vd：定子电压，ω：所加电压角频率，Lm：转子的磁化电感。

    所以，保持Vd/ω比为常数可在不同速度下保持恒定转矩。另外，改变定子电压Vd也可控制速度。尽管Vd电压不能直接测量，若知道在不同温度下马达的三相中的一相输入电压VXR、定子电流Is和定子电阻Rs就可推导出Vd:

    Vd=VxR-IsRS (2)

    场定向控制分为：直接，间接和无传感器三类。

    直接FOC直接测量转子角，是用安装在马达罩中的传感器测得的。

    间接FOC测量速度，用解算器来测量速度，再对速度积分来确定转差角。在AC异步马达中，转子中的转动场使转子与定子场以相同的方向转动，但角频率较低。其频率之间的差称之为转差频率，而它们之间的角度称之为转差角。转子角频率加转差频率给出所需的定子频率。所以，频率是这种控制技术的副产品而不是控制变量。

    无传感器FOC倍受关注，特别是一些启用中不能从转子直接信号反馈情况，需要无传感器FOC。例如，海上石油钻机的水下泵和其他系统，其马达和驱动电子装置离的很远。无传感器FOC和直接、间接FOC不同，它在马达的定子端执行所有的测量和计算（见图4）。从图4和图5的向量图可见：MAX125对两个转子相电流ib和ic进行数字化。注意，只需要两个相电流，而第3个相电流ia可以从假设（3个相电流是120°相位差、瞬时相加值为0）中推导出来。3个电流然后通过Clarke变换技术变换为α和β轴的二相正交系统。

    为简化起见，α轴可等于a轴。两个正交电流iα和iβ即可变换为时间不变的旋转正交系统，此系统用等效于转子电流id和iq的磁场与转矩分量d和q表示。α/β坐标系反时钟转动，以与转子矢通量轴线ψr对齐。转角θ由Park座标变换转动的马达模型决定。Park变换把电流表示为DC量，这大大地降低了系统的复杂性。把转子矢通量角θ与从Park变换所得到的电流结合起来就得到实际的马达场和转矩。由于能对基准转矩和测量的转矩进行比较，Park变换在控制环路中起主要作用。得到所希望的转矩和矢通量之后，Park反变换首先把基准转矩和场电流（idref和iqref）反变换为正交定子格式电流idref和iqref)反变换为正交定子坐标系电流ia、ib和ic。所有的变换都由DSP执行。微处理器进行控制和输入命令的实时执行。

线路故障保护系统

    在线路故障保护系统（见图6）中同时取样ADC对于测量高电压、3相波形也是不可缺少的。被测的慢变化50～60Hz信号可用多路ΣΔ变换器，这种变换器有很高的分辨率而不需要抗混淆滤波器。尽管单个ΣΔ ADC不昂贵，但在这种应用中（3个电压和4个电流）一般需要用几个ΣΔ ADC，这增加了变换器成本，大约为单个MAX 125的4倍。

基于Coriolis质量流量计

    Coriolis原理是用低频振动激励管子的载面并拾取由注经管子的质量流所引起的管子变形，电路示于图7。激励源一般是振动线圈，而偏转量是用声音线圈或光学手段拾取的。在对激励和拾取信号进行比较时，这些偏转量呈现为相位差，而这种相位差可用同时取样方法检测。尽管信号频率相当低（一般为50～500Hz），但检测很小的相移却需要高速、高分辨率同时取样ADC。

高频应用

    在高频领域，用同时取样对来自直接下变频卫星调谐器IC的I和Q信号进行数字化。商用卫星接收机系统含有一个特殊设计的双6位高速（60～90MHz）同时取样ADC（见图8）。在碰撞报警和自适应巡航控制机动系统中，用同样速度的同时取样可消除中频级。但是，这种方法需要相当昂贵的8位分辨率并行ADC。采用欠取样技术可达到1Msps以下的类似结果。船上雷达检测也需要10～30Msps 12位分辨率的同时取样。这种功能用MAX1424系列中的任意两种（根据速度要求）都可实现，MAX1424可微调的基准输入可调整系统增益和补偿。

结语

    本文所介绍的高速14位同时取样A/D变换器扩展了对两个或多个波形精确相位测量的应用范围，这是一种经济合算的方法。

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